TW201543003A - 以散射術量測為基礎之成像及關鍵尺寸度量 - Google Patents

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Abstract

本發明呈現用於基於散射術量測資料來執行半導體結構及材料之量測之方法及系統。使用散射術量測資料以基於所偵測繞射級之所量測強度來產生一所量測結構之一材料性質之一影像。在某些實例中，依據該量測目標之該材料性質之圖譜來直接判定一所關注參數之一值。在某些其他實例中，比較該影像與藉由該相同量測資料之一以幾何模型為基礎之參數反演而估計的結構特性。使用差異來更新該所量測結構之該幾何模型且改良量測效能。此在經受以模型為基礎之量測之一經製造結構之實際形狀與該結構之經模型化形狀之間存在顯著偏離時，使得一度量系統能夠收斂於一準確參數量測模型上。

Description

以散射術量測為基礎之成像及關鍵尺寸度量 相關申請案之交叉參考
本專利申請案依據35 U.S.C.§119主張來自2014年4月21日提出申請之標題為「X-Ray Imaging of Semiconductor Devices」之序列號為61/982,183之美國臨時專利申請案及來自2014年4月22日提出申請之標題為「X-Ray Imaging of Semiconductor Devices」之序列號為61/982,326之美國臨時專利申請案的優先權，該等臨時專利申請案中之每一者之標的物以全文引用方式併入本文中。
所描述實施例係關於度量系統及方法，且更特定而言係關於用於經改良量測準確度之方法及系統。
通常藉由適用於一樣品之一系列處理步驟製作諸如邏輯及記憶體裝置等半導體裝置。藉由此等處理步驟形成半導體裝置之各種特徵及多個結構層級。舉例而言，除其他之外，微影亦係涉及在一半導體晶圓上產生一圖案之一種半導體製作製程。半導體製作製程之額外實例包含(但不限於)化學機械拋光、蝕刻、沈積及離子植入。可在一單個半導體晶圓上製作多個半導體裝置，且然後將其分離成個別半導體裝置。
在一半導體製造製程期間在各種步驟處使用度量製程來偵測晶 圓上之缺陷以促成較高良率。通常使用若干種基於度量之技術(包含散射術量測及反射術量測實施方案)及相關聯分析演算法來表徵關鍵尺寸、膜厚度、組合物及奈米尺度結構之其他參數。
在傳統上，對由薄膜及/或重複週期性結構組成之目標執行散射術量測。在裝置製作期間，此等膜及週期性結構通常表示實際裝置幾何形狀及材料結構或一中間設計。隨著裝置(例如，邏輯及記憶體裝置)朝較小奈米尺度尺寸進展，表徵變得更困難。併入有複雜三維幾何形狀及具有不同物理性質之材料之裝置加劇表徵困難度。舉例而言，現代記憶體結構通常係使光學輻射難以穿透至底部層之高縱橫比三維結構。利用紅外光至可見光之光學度量工具可穿透半透明材料之諸多層，但提供良好穿透深度之較長波長不提供對小異常現象之充足敏感度。另外，表徵複雜結構(例如，FinFET)所需之越來越多數目之參數導致越來越多之參數相關。因此，通常無法可靠地將表徵目標之參數與可用量測值解耦。
在另一實例中，在現代半導體結構中越來越多地採用不透明高k材料。光學輻射通常不能穿透由此等材料構造之層。因此，藉助薄膜散射術量測工具(諸如橢圓偏光計或反射計)之量測變得越來越有挑戰性。
回應於此等挑戰，已開發較複雜光學度量工具。舉例而言，已開發具有多個照射角度、較短照射波長、較寬照射波長範圍及自經反射信號之較完整資訊獲取(例如，除較習用反射率或橢圓偏光信號之外亦量測多個米勒(Mueller)矩陣元素)之工具。然而，此等方法尚未可靠地克服與諸多高階目標(例如，複雜3D結構、小於10nm之結構、採用不透明材料之結構)之量測及量測應用(例如，線邊緣粗糙度及線寬度粗糙度量測)相關聯之基本挑戰。
原子力顯微鏡(AFM)及掃描穿隧顯微鏡(STM)能夠達成原子解析 度，但其僅可探測樣品之表面。另外，AFM及STM顯微鏡需要長掃描時間。
掃描電子顯微鏡(SEM)達成中間解析度位準，但不能穿透結構至充足深度。因此，不能很好地表徵高縱橫比孔。另外，樣品之所需充電對成像效能具有一不利影響。
透射電子顯微鏡(TEM)達成高解析度位準且能夠探測任意深度，但TEM需要對樣品進行毀滅性剖切。
小角度x射線散射(SAXS)技術已展示為提供充足解析度及穿透深度。SAXS資料之以模型為基礎之解釋假定樣品之幾何形狀及光學性質之一代表性模型。然而，量測模型具有有限自由度；通常比所量測資料之自由度小得多。若量測模型未準確地描述實際樣本，則對以模型為基礎之最佳化之所得解決方案不提供與模型不匹配之源有關之任何資訊。此使得極難以開發恰當地表徵一樣品之一量測模型，除非樣品之結構係先驗眾所周知的。樣品之此預先知識通常在製程開發期間不可用。
由於越來越小之解析度需要、多參數相關、越來越複雜之幾何結構及不透明材料之越來越多之使用，未來度量應用針對度量提出挑戰。因此，用於經改良CD量測之方法及系統係合意的。
本發明呈現用於基於散射術量測資料執行半導體結構及材料之量測之方法及系統。此類系統經採用以量測與不同半導體製作製程相關聯之結構及材料特性(例如，材料組合物、結構之尺寸特性等)。
更具體而言，使用散射術量測資料來基於所偵測繞射級之所量測強度產生一所量測結構之一影像。在某些實例中，比較該影像與藉由相同散射術量測資料之一以幾何模型為基礎之參數反演而估計之結構特性。使用差異來更新所量測結構之幾何模型且改良量測效能。當 量測積體電路以對其製造製程進行控制、監視及疑難排解時，收斂於一準確參數量測模型上之能力係特別重要的。
在一項態樣中，一計算系統經組態以產生一所量測結構之一材料性質之一模型且藉由執行散射術量測資料與該模型之一擬合分析而解析該所量測結構之一影像。描述經受量測之結構之幾何形狀及材料參數之模型係不包含一預想幾何形狀及材料分佈之一自由形式模型。在某些實施例中，該模型包含各自具有一可獨立調整之材料參數值(例如，電子密度、吸收率或複數折射率)之諸多小立體像素(體積元素)。在某些其他實施例中，材料性質係逐段恆定的。先驗判定與每一不同材料相關聯之性質。不同材料之間的邊界係自由形式表面，且此等表面可藉由等位集(level set)演算法判定。
在另一態樣中，使用針對CD度量獲取之相同散射術量測資料來計算樣本之一影像。在某些實例中，該影像係電子密度、吸收率、複數折射率或此等材料特性之一組合之一個二維(2-D)圖譜。在某些實例中，該影像係電子密度、吸收率、複數折射率或此等材料特性之一組合之一個三維(3-D)圖譜。該圖譜係使用相對少的實體約束產生。所得圖譜通常由於其缺乏充足解析度而不適用於量測CD。然而，圖譜可在樣本幾何形狀或材料偏離出CD量測所採用之幾何模型所預期之所期望值範圍時用於對晶圓處理進行除錯。在一項實例中，使用圖譜與藉由幾何模型根據其所量測參數預測的結構之一渲染之間的差來更新幾何模型且改良其量測效能。
前述內容係一發明內容且因此必須含有細節之簡化、概述及省略；因此，熟習此項技術者將瞭解，發明內容僅係說明性的且不以任何方式係限制性的。在本文中所陳述之非限制性實施方式中，本文中所描述之裝置及/或製程之其他態樣、發明性特徵及優點將變得顯而易見。
100‧‧‧度量系統/度量工具/系統/x射線度量系統/記憶體板上度 量系統
101‧‧‧樣品
102‧‧‧檢查區域
110‧‧‧x射線照射源/x射線照射系統/x射線源/液態金屬噴流x射線源
111‧‧‧液態金屬容器
112‧‧‧液態金屬收集器/收集器
113‧‧‧電子束源
114‧‧‧電子光學器件
115‧‧‧x射線光學器件/照射光學器件/小角度x射線散射照射光學器件
116‧‧‧x射線偵測器/小角度x射線散射偵測器/偵測器
117‧‧‧x射線束/入射x射線束/小角度x射線散射照射束/入射小角度x射線散射照射束
118‧‧‧電子流
119‧‧‧液態金屬噴流
120‧‧‧模型構建與分析引擎
121‧‧‧影像構建模組
122‧‧‧影像/三維影像/圖譜
123‧‧‧擬合分析模型/模組
125‧‧‧x射線輻射/經散射x射線/經散射x射線輻射
126‧‧‧輸出信號/信號/量測資料/繞射級/量測信號/所量測入射小角度x射線散射信號/入射小角度x射線散射量測資料
128‧‧‧細化圖譜
130‧‧‧計算系統/電腦系統
131‧‧‧處理器
132‧‧‧記憶體
133‧‧‧匯流排
134‧‧‧程式指令
137‧‧‧命令信號
140‧‧‧樣品定位系統/晶圓定位系統
141‧‧‧邊緣夾持卡盤
142‧‧‧旋轉致動器
143‧‧‧周邊框架
144‧‧‧線性致動器
145‧‧‧運動控制器
146‧‧‧座標系統
150‧‧‧模型構建與分析引擎
151‧‧‧結構模型構建模組
152‧‧‧結構模型
153‧‧‧小角度x射線散射回應函數構建模組
155‧‧‧小角度x射線散射回應函數模型/小角度x射線散射回應模型
157‧‧‧擬合分析模型
160‧‧‧真空室
162‧‧‧真空環境
170‧‧‧週期性半導體結構/結構/所量測結構/樣品參數值
171‧‧‧立體像素
172‧‧‧立體像素
173‧‧‧立體像素
180‧‧‧記憶體
190‧‧‧記憶體
200‧‧‧度量系統/度量工具/x射線度量系統
300‧‧‧度量系統/x射線度量系統
圖1係圖解說明經組態以根據本文中所描述之方法執行x射線散射術量測之一度量系統100之一圖式。
圖2係圖解說明經組態以根據本文中所描述之方法執行散射術量測的另一實施例中之一度量系統200之一圖式。
圖3係圖解說明經組態以根據本文中所描述之方法執行掠入射散射術量測的另一實施例中之一度量系統300之一圖式。
圖4係圖解說明含納於與樣品101分離之一真空環境162中的度量系統100、200及300之一x射線偵測器116之一圖式。
圖5係圖解說明經組態以根據本文中所描述之方法基於散射術量測資料解析一所量測樣品之一材料性質之一圖譜的一模型構建與分析引擎120之一圖式。
圖6係圖解說明一半導體結構之一空間離散模型之一圖式。
圖7係圖解說明經組態以根據本文中所描述之方法基於散射術量測資料解析樣品參數值之一模型構建與分析引擎150之一圖式。
圖8係圖解說明基於散射術量測判定一所量測樣品之一材料性質之一圖譜的一例示性方法400之一流程圖。
現在將詳細參考背景技術實例及本發明之某些實施例，本發明之實例圖解說明於隨附圖式中。
本發明呈現用於基於散射術量測資料執行半導體結構及材料之量測之方法及系統。此類系統經採用以量測與不同半導體製作製程相關聯之結構及材料特性(例如，材料組合物、結構之尺寸特性等)。
更具體而言，使用散射術量測資料來基於所偵測繞射級之所量測強度產生一所量測結構之一影像。在某些實例中，比較該影像與藉由相同散射術量測資料之一以幾何模型為基礎之參數反演估計之結構 特性。使用差異來更新所量測結構之幾何模型且改良量測效能。當量測積體電路以對其製造製程進行控制、監視及疑難排解時，收斂於一準確參數量測模型上之能力係特別重要的。
以幾何模型為基礎之參數反演對於基於SAXS量測之關鍵尺寸(CD)度量係較佳的。然而，當所量測樣品偏離幾何模型之假定時，依據相同SAXS量測資料產生的樣品之一圖譜可用於識別及校正模型誤差。
高亮度SAXS(在掠入射或透射入射組態中)之使用使得高通量x射線輻射能夠穿透至目標之不透明區域中。使用SAXS之可量測幾何參數之實例包含孔大小、孔密度、線邊緣粗糙度、線寬度粗糙度、側壁角度、輪廓、關鍵尺寸、疊對、邊緣佈置誤差及節距。可量測材料參數之實例包含電子密度、元素識別及組合物。在某些實例中，SAXS使得能夠量測小於10nm之特徵以及其中需要幾何參數及材料參數之量測之進階半導體結構(諸如自旋轉移轉矩MRAM)。
一SAXS量測涉及用一x射線束照射一樣本及偵測多個入射角度相對於樣本、多個波長或兩者之所得繞射級之強度。基於SAXS之CD度量涉及藉由迴歸而依據量測判定樣本之尺寸。迴歸使用具有幾個(近似十個)可調整參數之一預定幾何模型。此減少CD量測之不確定因素且增加CD量測之速度，但亦限制模型所預期之可能形狀集。在製造期間或特別是在製程開發期間，一樣品可能落在此受限可能形狀集之外。舉例而言，當模型不包含彼可能性時，可底切一線。在此情況下，模型將不能捕獲此幾何特徵。另外，量測將不提供此失敗之特定源之指示。
在一項態樣中，使用針對CD度量獲取之相同散射術量測資料來計算樣本之一影像。在某些實例中，該影像係電子密度、吸收率、複數折射率或此等材料特性之一組合之一個二維(2-D)圖譜。在某些實 例中，該影像係電子密度、吸收率、複數折射率或此等材料特性之一組合之一個三維(3-D)圖譜。該圖譜係使用相對少的實體約束產生。在某些實例中，依據所得圖譜直接估計一或多個所關注參數(諸如關鍵尺寸(CD)、側壁角度(SWA)、疊對、邊緣放置誤差、節距遊動(pitch walk)等)。在某些其他實例中，圖譜可在樣本幾何形狀或材料偏離出以模型為基礎之CD量測所採用之一參數結構模型所預期之所期望值範圍時用於對晶圓處理進行除錯。在一項實例中，使用圖譜與藉由參數結構模型根據其所量測參數所預測的結構之一渲染之間的差來更新參數結構模型且改良其量測效能。
圖1圖解說明用於根據本文中所呈現之例示性方法量測一樣品之特性之一度量工具100之一實施例。如圖1中所展示，系統100可用於在安置於一樣品定位系統140上之一樣品101之一檢查區域102內執行透射SAXS量測。在某些實施例中，檢查區域102具有五十微米或小於五十微米之一光點大小。
在所繪示實施例中，度量工具100包含經組態以產生適合於SAXS量測之x射線輻射之一x射線照射源110。在某些實施例中，x射線照射系統110經組態以產生介於0.01奈米與1奈米之間的波長。x射線照射源110產生入射於樣品101之檢查區域102上之一x射線束117。
大體而言，可預期能夠以足以實現高輸送量直列式度量之通量位準產生高亮度x射線之任何適合高亮度x射線照射源以供應用於SAXS量測之x射線照射。在某些實施例中，一x射線源包含使得x射線源能夠供給處於不同可選擇波長之x射線輻射之一可調諧單色儀。
在某些實施例中，採用發射具有大於15keV之光子能量之輻射之一或多個x射線源。藉由非限制性實例之方式，可採用一粒子加速器源、一液態陽極源、一旋轉陽極源、一微焦源、一微焦旋轉陽極源及一逆康普頓(Compton)源中之任一者作為x射線源110。在一項實例 中，可預期可自Lyncean Technologies公司(帕洛阿爾托，加利福尼亞州(美國))購得之一逆康普頓源。逆康普頓源具有能夠在一光子能量範圍內產生x射線藉此使得x射線源能夠供給處於不同可選擇波長之x射線輻射之一額外優點。
例示性x射線源包含經組態以轟擊固態或液態目標以刺激x射線輻射之電子束源。圖2繪示用於根據本文中所呈現之例示性方法量測一樣品之特性之一度量工具200。度量工具100與200之相同編號之元件係類似的。然而，在圖2中所繪示之實施例中，x射線照射源110係一以液態金屬為基礎之x射線照射系統。一液態金屬噴流119自一液態金屬容器111產生且在一液態金屬收集器112中收集。一液態金屬循環系統(未展示)使由收集器112收集之液態金屬返回至液態金屬容器111。液態金屬噴流119包含一或多個元素。藉由非限制性實例之方式，液態金屬噴流119包含鋁、鎵、銦、錫、鉈及鉍中之任一者。以此方式，液態金屬噴流119產生與其構成元素對應之x射線。在一項實施例中，液態金屬噴流包含一鎵及銦合金。在某些實施例中，x射線照射系統110經組態以產生介於0.01奈米與1奈米之間的波長。一電子束源113(例如，電子槍)產生由電子光學器件114引導至液態金屬噴流119之一電子流118。適合電子光學器件114包含用於聚焦電子束且將該電子束引導於液態金屬噴流處之電磁鐵、永久磁鐵或電磁鐵與永久磁鐵之一組合。液態金屬噴流119與電子流118之並存產生入射於樣品101之檢查區域102上之一x射線束117。
在一項實施例中，入射x射線束117處於24.2keV之銦kα線。使用用於透射SAXS量測之多層x射線光學器件將該x射線束縮小準直為小於一毫弧度發散度。
在某些實施例中，在不使用位於x射線源與經受量測之樣品之間的一螢幕之情況下達成本文中所描述之x射線散射量測。在此等實施 例中，在入射角度、多個波長或兩者之一組合之一範圍內之繞射級之所量測強度提供充足資訊以解析所量測結構之所要材料性質(例如，複數折射率、電子密度或吸收率)之一分佈圖譜(亦即，影像)。然而，在某些其他實例中，將一針孔或另一孔口定位於一原本不透明螢幕(位於x射線源與經受量測之樣品之間)以改良x射線束之準直。針對孔口之數個位置量測繞射圖案之強度。在某些其他實施例中，使用具有一假隨機孔口圖案之一螢幕，且針對多個螢幕量測繞射圖案。亦可預期此等方法以提供額外資訊以解析所量測結構之所要材料性質之三維分佈。
至KLA-Tencor公司之2011年4月19日發佈之美國專利第7,929,667號描述用於產生高亮度液態金屬x射線照射之方法及系統，該專利之全文以引用方式併入本文中。
如圖1中所繪示，x射線光學器件115將入射x射線束117塑形並引導至樣品101。在某些實例中，x射線光學器件115包含用以將入射於樣品101上之x射線束單色化之一x射線單色儀。在一項實例中，採用一晶體單色儀(諸如一洛克斯利-坦納-博文(Loxley-Tanner-Bowen)單色儀)來將x射線輻射束單色化。在某些實例中，x射線光學器件115使用多層x射線光學器件將x射線束117準直或聚焦至樣品101之檢查區域102上為小於1毫弧度發散度。在某些實施例中，x射線光學器件115包含一或多個x射線準直鏡、x射線孔口、x射線束截捕器、折射x射線光學器件、繞射光學器件(諸如波帶片)、鏡面x射線光學器件(諸如掠入射橢球面鏡)、多毛細管光學器件(諸如空心毛細管x射線波導)、多層光學器件或系統或者其任一組合。
x射線偵測器116根據一SAXS量測模態收集自樣品101散射之x射線輻射125且產生指示對入射x射線輻射敏感的樣品101之性質之一輸出信號126。在某些實施例中，x射線偵測器116收集經散射x射線 125，而樣品定位系統140將樣品101定位且定向以產生以角度方式解析之經散射x射線。在某些實施例中，x射線偵測器116能夠解析一或多個x射線光子能量且針對每一x射線能量組份產生指示樣品之性質之信號。在某些實施例中，x射線偵測器116包含以下各項中之任一者：一CCD陣列、一微通道板、一光電二極體陣列、一微帶比例計數器、一以氣體填充之比例計數器、一閃爍器或一螢光材料。在某些實施例中，x射線偵測器116包含偵測所偵測光子之位置及數目之一單個光子計數偵測器。
在某些實施例中，將x射線偵測器116維持於與樣品101相同之大氣環境(例如，氣體清除環境)中。然而，在某些實施例中，樣品101與x射線偵測器116之間的距離係很長的(例如，大於一米)。在此等實施例中，環境干擾(例如，空氣亂流)給所偵測信號造成雜訊。因此，在某些實施例中，將x射線偵測器中之一或多者維持於藉由一真空窗而與樣品(例如，樣品101)分離之一局域化真空環境中。
圖4係圖解說明一項實施例中之含有x射線偵測器116之一真空室160之一圖式。在一較佳實施例中，真空室160包含樣品101與x射線偵測器116之間之路徑之一實質部分。真空室160之一開口係由真空窗161覆蓋。真空窗161可由對x射線輻射實質上透明之任何適合材料(例如，鈹)構造。經散射之x射線輻射125通過真空窗161、進入真空室160，且入射於x射線偵測器116上。在真空室160內維持一適合真空環境162，以最小化對經散射x射線輻射125之干擾。
圖3圖解說明用於根據本文中所描述之方法來執行半導體度量量測之一x射線度量系統300。如圖3中所圖解說明，x射線度量系統300包含參考圖1及2所描述之類似、相同編號的元件。然而，x射線度量系統300以一掠入射模式操作。更具體而言，x射線度量系統300係組態為一掠入射小角度x射線散射(GISAXS)量測系統。典型入射及收集 角度係自樣品之表面量測約1度或自法向於樣品之表面之一軸量測約89度。x射線度量系統300經組態使得自樣品散射之x射線在一樣本搬運機(未展示)定位樣品時由一偵測器收集。另外，可偵測在相互作用期間產生之任何其他粒子(諸如光電子、透過螢光產生之x射線或離子)。經組態以執行GISAXS量測之度量系統需要一高亮度x射線源，以在以小角度照射之相對大的樣本區域內維持充足亮度。出於此原因，參考圖2所描述之一液態金屬噴流x射線源110特別好地適用於GISAXS量測。
藉由非限制性實例之方式，分別在圖1及2中圖解說明之x射線度量系統100及200係組態為透射小角度x射線散射計(TSAXS)，且在圖3中圖解說明之x射線度量系統300係組態為掠入射小角度x射線散射計(GISAXS)。然而，大體而言，經組態以執行以散射術量測為基礎之量測且產生如本文中所描述之影像之一x射線度量系統可採用以下度量技術中之任一者或多者：透射小角度x射線散射(TSAXS)、掠入射小角度x射線散射(GISAXS)、寬角度x射線散射(WAXS)、x射線反射率(XRR)、x射線繞射(XRD)、掠入射x射線繞射(GIXRD)、高解析度x射線繞射(HRXRD)、x射線光電子光譜法(XPS)、x射線螢光(XRF)、掠入射x射線螢光(GIXRF)、x射線斷層攝影法、x射線橢圓偏光術及硬x射線光電發射光譜術(HXPS)。
度量工具100亦包含經採用以獲取由SAXS偵測器116產生之信號126且至少部分地基於所獲取信號判定樣品之性質之一計算系統130。如圖1中所圖解說明，計算系統130通信地耦合至SAXS偵測器116。
在另一實施例中，計算系統130經組態以採用即時關鍵尺寸標註(RTCD)即時存取模型參數，或其可存取預計算模型之庫以判定與樣品101相關聯之至少一個樣品參數值之一值。大體而言，可使用某種形式之CD引擎來評估一樣品之經指派CD參數與和所量測樣品相關聯 之CD參數之間的差。至KLA-Tencor公司之2010年11月2日發佈之美國專利第7,826,071號中描述用於計算樣品參數值之例示性方法及系統，該專利之全文以引用方式併入本文中。
在另一項態樣中，度量工具100包含經組態以實施如本文中所描述之射束控制功能性之一計算系統(例如，計算系統130)。在圖1中所繪示之實施例中，計算系統130係組態為可操作以控制入射SAXS照射束117之照射性質(諸如強度、發散度、光點大小、偏光、光譜)及定位中之任一者之一射束控制器。
如圖1中所圖解說明，計算系統130通信地耦合至SAXS偵測器116。計算系統130經組態以自SAXS偵測器116接收量測資料126。在一項實例中，量測資料126包含樣品之所量測SAXS回應(亦即，繞射級之強度)之一指示。基於偵測器116之表面上之所量測SAXS回應之分佈，由計算系統130判定SAXS照射束117在樣品101上之入射位置及區域。在一項實例中，由計算系統130應用圖案辨識技術以基於量測資料126判定SAXS照射束117在樣品101上之入射位置及區域。在某些實例中，計算系統130將命令信號137傳達至照射光學器件115以選擇所要照射波長且將SAXS照射束117重新引導並重新塑形，使得入射SAXS照射束117到達所要位置且相對於樣品101成角度定向。在某些其他實例中，計算系統130將一命令信號傳達至晶圓定位系統140以將樣品101定位並定向，使得入射SAXS照射束117到達所要位置且相對於樣品101成角度定向。在某些其他實例中，計算系統130將一命令信號137傳達至x射線源110以選擇所要照射波長且將SAXS照射束117重新引導並重新塑形，使得入射SAXS照射束117到達所要位置且相對於樣品101成角度定向。
在另一態樣中，以若干個不同入射角度執行一特定檢查區域之SAXS量測。在某些實施例中，藉由圍繞由圖1中所繪示之座標系統 146指示之x軸及y軸之旋轉而以所描述之不同入射角度執行量測係合意的。此藉由擴展可用於分析之資料集之數目及多樣性以包含各種大角度平面外定向而增加所量測參數之精確度及準確度且減少參數當中之相關。量測具有一較深、較多樣資料集之樣品參數亦減少參數當中之相關且改良量測準確度。舉例而言，在一法向定向中，SAXS能夠解析一特徵之關鍵尺寸，但在很大程度上對一特徵之側壁角度及高度不敏感。然而，藉由在一寬廣平面外角度位置範圍內收集量測資料，可解析一特徵之側壁角度及高度。
如圖1中所圖解說明，度量工具100包含經組態以在相對於SAXS散射計之一大的平面外角度定向範圍內做出將樣品101對準及將樣品101定向兩個操作之一樣品定位系統140。換言之，樣品定位系統140經組態以使樣品101圍繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在一大角度範圍內旋轉。在某些實施例中，樣品定位系統140經組態以使樣品101圍繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在至少90度之一範圍內旋轉。在某些實施例中，樣品定位系統經組態以使樣品101圍繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在至少60度之一範圍內旋轉。在某些其他實施例中，樣品定位系統經組態以使樣品101圍繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在至少1度之一範圍內旋轉。以此方式，由度量系統100收集在樣品101之表面上之任一數目個位置內對樣品101之經角度解析量測。在一項實例中，計算系統130將指示樣品101之所要位置之命令信號傳達至樣品定位系統140之運動控制器145。作為回應，運動控制器145產生命令信號至樣品定位系統140之各種致動器以達成樣品101之所要定位。
藉由非限制性實例之方式，如圖1中所圖解說明，樣品定位系統140包含用以將樣品101牢固地附接至樣品定位系統140之一邊緣夾持卡盤141。一旋轉致動器142經組態以使邊緣夾持卡盤141及所附接樣 品101相對於一周邊框架143旋轉。在所繪示實施例中，旋轉致動器142經組態以使樣品101圍繞圖1中所圖解說明之座標系統146之x軸旋轉。如圖1中所繪示，樣品101圍繞z軸之一旋轉係樣品101之一平面內旋轉。圍繞x軸及y軸(未展示)之旋轉係樣品101之使樣品之表面相對於度量系統100之度量元件有效地傾斜之平面外旋轉。雖然未圖解說明，但一第二旋轉致動器經組態以使樣品101圍繞y軸旋轉。一線性致動器144經組態以使周邊框架143在x方向上平移。另一線性致動器(未展示)經組態以使周邊框架143在y方向上平移。以此方式，樣品101之表面上之每一位置皆可用於在一平面外角度位置範圍內之量測。舉例而言，在一項實施例中，在相對於樣品101之法向定向-45度至+45度之一範圍內跨過數個角度增量量測樣品101之一位置。
大體而言，樣品定位系統140可包含用以達成所要線性及角度定位效能之機械元件之任何適合組合，包含(但不限於)測角置物台、六腳置物台、有角度置物台及線性置物台。
在一項態樣中，度量工具100包含一計算系統，該計算系統經組態以產生一所量測結構之一材料性質之一自由形式模型且藉由執行散射術量測資料與該模型之一擬合分析而解析該所量測結構之一影像。描述經受量測之結構之幾何形狀及材料參數之模型係不包含一預想幾何形狀及材料分佈之一自由形式模型。在某些實施例中，該模型包含各自具有一可獨立調整之材料參數值(例如，電子密度、吸收率或複數折射率)之諸多小立體像素(體積元素)。在某些其他實施例中，材料性質係逐段恆定的。先驗判定與每一不同材料相關聯之性質。不同材料之間的邊界係自由形式表面，且此等表面可藉由等位集演算法判定。
藉由非限制性實例之方式，材料性質可係結構之電子密度、吸收率或複數折射率。然而，大體而言，可預期其他材料性質。在某些 實施例中，所量測結構係構造於一晶圓上之一裝置。在一較佳實施例中，該結構在與晶圓表面對準之一或多個方向上係空間週期性的。在某些實例中，週期性結構在一個維度(例如，x方向)上重複且在其他平面內維度(例如，y方向)上均勻地延伸。在此等實例中，自由形式模型係一個二維模型(亦即，面積模型)。在此等實例中，採用面積元素來產生結構在相關方向(例如，x方向及z方向)上之一個二維影像。 在此等實例中，第三尺寸(例如，y方向)係均勻的且冗餘的。在其他實例中，週期性結構以一正交或非正交圖案重複。在此等實例中，自由形式模型係一個三維模型(亦即，體積模型)。在此等實例中，採用體積元素來產生結構在相關方向(例如，x方向、y方向及z方向)上之一個三維影像。在某些實例中，週期性結構係放置於晶粒之間的一劃割線中之一專用度量目標。在某些其他實例中，週期性結構位於作用晶粒區域中且係一功能積體電路(例如，記憶體、影像感測器、邏輯裝置等)之一部分。
在圖1中所繪示之實施例中，計算系統130係組態為模型構建與分析引擎120且可操作以實施如本文中所描述之模型構建與分析功能性。
圖5係圖解說明經組態以根據本文中所描述之方法基於散射術量測資料解析一所量測樣品之一材料性質之一影像的模型構建與分析引擎120之一圖式。如圖5中所繪示，模型構建與分析引擎120包含產生所量測結構之一性質之一影像122之一影像構建模組121。
在一項實施例中，影像構建模組121產生所量測結構之折射率之一複值圖譜n(x,y,z)。複數折射率對應於一特定電子密度及一特定吸收剖面。在一項實施例中，複數折射率之圖譜由指派給表示所量測結構之體積元素(立體像素)之複數表示。圖6繪示由立體像素171之一個三維陣列空間離散之一週期性半導體結構170。圖6中加陰影於自身與 結構對應之立體像素173。圖6中未加陰影於環繞結構170且可包含不同材料(例如，空氣)之立體像素172。每一立體像素被指派與每一立體像素內之材料相關聯之所期望複數折射率之一初始值。在此實例中，影像構建模組121產生所量測結構170之複數折射率之一個三維影像122。在另一實施例中，複數折射率之圖譜由指派給表示所量測結構之面積元素(像素)之複數表示。每一像素被指派與每一立體像素內之材料相關聯之所期望複數折射率之一初始值。在此等實例中，影像構建模組121產生所量測結構之複數折射率之一個二維影像。
經採用以描述結構之體積之立體像素可係均勻的，或可具有不規則形狀及大小。此外，在最佳化進程期間，可改變(例如，細分或合併)立體像素之形狀以便使所述形狀更真實或以便增加最佳化之速度。當使用非均勻立體像素時，必須小心來相對於立體像素之大小或形狀使泛函(諸如離散空間導數)正規化。類似地，在最佳化期間，可修改經採用以描述一結構之面積(例如，當自由形式模型係二維時)之像素。
在某些其他實施例中，每一圖譜可表示為預定基礎函數之一線性組合，該線性組合具有複係數。在另一實施例中，當利用已知構成樣品之材料之性質時，最佳化樣品之形態以擬合散射術量測資料。每一材料邊界由一位置函數Φ之一等位集{(x,y,z)| Φ(x,y,z)=0}表示。函數Φ(x,y,z)不指示點(x,y,z)處之樣品之任何物理性質。其等位集指示一材料邊界之幾何形狀。等位集內部之材料性質被指派針對塊體材料先驗量測或計算之恆定值。最佳化演算法對函數Φ做出迭代改變以便擬合散射術量測資料。函數Φ可由其在一網格上之樣本或基礎函數之一線性組合表示。
雖然參考圖6來描述複數折射率之一圖譜，但可預期其他材料性質(例如，電子密度、吸收率等)之一圖譜。
圖譜122及繞射級126之所量測強度被接收為至擬合分析模型123的輸入。大體而言，傳達至擬合分析模型123之量測信號126可包含與角度解析之SAXS量測及波長解析之SAXS量測之任一組合相關聯的資料。
在一較佳實施例中，所量測強度係角度解析的，亦即，繞射級之強度係針對晶圓之諸多定向之多個m及n值而量測。在某些實施例中，由可相對於傳入射束將晶圓平移及定向於所要量測位置處之一個6軸置物台來固持晶圓。在某些其他實施例中，可將晶圓牢固地固持或限制於所要位置之一子集，且使用可移動x射線光學器件(諸如掠入射鏡或一菲涅爾(Fresnel)波帶片)來改變x射線輻射束之入射方向。
在另一實施例中，所量測強度係波長解析的。在此實施例中，使入射極角(q及j)保持恆定，且針對入射x射線輻射之不同波長做出量測。可藉由使寬頻光透過一可調整單色儀來改變波長。
在SAXS量測中，一週期性結構(例如，結構170)將一經準直x射線束繞射成若干繞射級。每一繞射級在一特定可預測方向上行進。繞射級的角度間距與由波長劃分之樣品的晶格常數成反比。可由放置於與晶圓相距某一距離處之一偵測器陣列個別地偵測繞射級。偵測器之每一像素輸出指示命中該像素之光子之數目之一信號。組合屬於相同繞射級之像素的輸出。繞射級之強度具有形式I(m,n,q,j,λ)。{m,n}係繞射級之整數指數。{q,j}係入射束之方位角及仰角(亦即，入射主射線相對於固定至晶圓之一座標系統之極座標)。λ係入射x射線之波長。
擬合分析模型123接收指示繞射級之所量測強度的量測信號126，且基於所量測資料來細化所量測結構之材料性質的圖譜122。在某些實例中，擬合分析係涉及最小化繞射級之所量測強度與所計算強度之間之差之一迭代最佳化。
在此實例中，使用第一波恩(Born)近似法，自折射率之圖譜的當前估計計算繞射級的強度。在「Principles of optics」(Max Born及Emil Wolf，第7版，劍橋大學出版社，1999年)中詳細地描述該近似法，其標的物以全文引用方式併入本文中。
根據波恩近似法，針對一入射x射線場uinc，經散射x射線場usca係如方程式(1)中所圖解說明之非齊次亥姆霍茲(Helmholtz)方程式之一解。
方程式(2)中圖解說明樣本在複標記法中之位置相依折射率。
α(x,y,z)-iβ(x,y,z)=1-n(x,y,z) (2)
針對高於約10keV之能量，α及β係如方程式(3)及(4)中所描述之經典電子半徑re、原子光吸收剖面σa、波長λ、原子數目Z及電子密度ρ之簡單函數。
針對具有一單位胞元大小(Λx,Λy)之一週期性二維晶格圖案，方程式(5)將折射率表達為一傅裡葉級數。
使用如方程式(6)中所表達之亥姆霍茲方程式之格林(Green)函數將方程式(1)準確地求解。
經散射場usca係平面波(繞射級)之一離散總和。繞射級之強度係。
擬合分析模型123自折射率之圖譜122之當前估計計算繞射級之強度。在第一迭代處，自圖譜122之折射率之值計算繞射級之強度。模組123產生繞射級之所量測強度與所計算強度之間的差之一向量。差向量之每一條目皆與一特定繞射級m,n、晶圓之一特定定向及一特定波長有關。使用一非線性最小化演算法以減小差向量之一範數之一方式細化圖譜之當前估計。在一較佳實施例中，採用L2範數，然而，可預期其他範數(例如，L1範數等)。
可採用各種非線性最佳化演算法、受約束最佳化演算法或非線性最佳化演算法與受約束最佳化演算法之一組合來迭代地細化影像。較佳非線性最小化演算法包含萊文貝格-馬誇特(Levenberg-Marquardt)演算法、高斯-牛頓演算法、序列二次規劃演算法及準牛頓演算法。「Practical Optimization」(Gill、Murray及Wright，翡翠出版社，1982)及「Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations」(Dennis及Schnabel，Soc.for Industrial & Applied Math.，1996年)中描述其他細節，其中每一者之標的物以全 文引用方式併入本文中。在某些其他實施例中，可採用凸集最佳化(諸如凸集與內部點方法)。「Convex Optimization」(Boyd及Vandenberghe，劍橋大學出版社，2004年)中描述其他細節，其標的物以全文引用方式併入本文中。
為了促進最佳化之收斂，可將若干個約束引入至最佳化中。藉由非限制性實例之方式，最佳化可經受以下約束中之任一者：電子密度不能係負的，吸收不能係負的，電子密度及吸收剖面具有針對所有材料之上界，且經受測試之特徵之實體範圍在垂直於晶圓平面之方向上具有已知上限及下限。
在另一實例中，忽略吸收，且將圖譜簡化至僅電子密度之一圖譜。針對諸多半導體材料(諸如矽或鎢)，在接近或大約10keV之x射線能量下，吸收係數β比散射係數α小一數量級。因此，在諸多應用中，可安全地忽略吸收對量測分析之貢獻。
在另一態樣中，藉由複數折射率之一泛函之一範數將圖譜規則化。在某些實施例中，藉由複數折射率之值之一範數、其一階導數或其離散對應部、其二階導數或其離散對應部或者此等之任一組合而將圖譜規則化。在一項實例中，在最佳化成本函數中亦包含複數折射率之梯度之總變化(亦即，L1範數)。在一項實例中，待關於n(x,y,z)最小化之最佳化成本函數包含強度差之L2範數及n之離散梯度之總變化，如表達式(7)中所圖解說明。
規則化之量由非負數因子μ控制。在另一實例中，待關於n(x,y,z)最小化之最佳化成本函數包含複數折射率之梯度之一範數，且最佳化係根據繞射級之所偵測強度與繞射級之所估計強度之間的差之一範數之值之一上界。
在某些其他實施例中，採用一兩步驟最佳化。在一項實例中，關於n(x,y,z)最小化包含所量測強度與所計算強度之間的差之L2範數之一最佳化成本函數，直至達成一臨限誤差值為止。在此點處，採用包含複數折射率之梯度之一範數之一不同最佳化成本函數來進一步細化所量測結構之性質(例如，電子密度)之影像。
在某些實施例中，應用兩種混合範數最佳化。在某些實例中，將一L2範數應用於強度誤差(稱作一擬合量度)，且將一L1範數應用於折射率之一函數(稱作一熵量度)。藉由圖解說明方式提供此等實例。可預期在壓縮感測及/或最佳化規則化之學科內之諸多其他實例。亦預期可應用其他技術，諸如赤池(Akaike)資訊準則(AIC)/貝葉斯(Bayesian)資訊準則(BIC)、脊迴歸、基追蹤、丹齊格(Dantzig)選擇程式、Rudin-Osher_Fatemi、波茲法(Potts)、規則化最小絕對偏離(RLAD)、SLOPE及其他技術。
已提供採用L2或L1範數之某些實例。然而，應注意，任一Lp範數、適當偽範數(諸如L0範數)或統計量度(諸如熵或庫爾貝克-萊布勒(Kullbeck-Leibler)發散度)可適用於前述實例中。
除Lp範數以外，亦可應用基於此等範數但經修改以使其可區分之量度，諸如胡貝爾(Huber)或偽胡貝爾損失函數。在穩健迴歸領域中實踐之此等技術及其他技術經預期在本專利文件之範疇內。
在迭代最佳化收斂之後，將所量測結構之性質之細化圖譜128存儲於一記憶體190中。
在另一項態樣中，依據所得圖譜直接估計一或多個所關注參數(諸如關鍵尺寸(CD)、側壁角度(SWA)、疊對、邊緣放置誤差、節距遊動等)。在某些實施例中，在一顯示裝置上渲染所得圖譜，且一使用者能夠依據影像直接選擇一所關注參數。作為回應，計算系統130經組態以判定所選擇所關注參數之值。在某些實施例中，由計算系統 130自動分析所得圖譜以依據影像直接識別一所關注參數之值。
在又一項態樣中，度量工具100包含一計算系統，該計算系統經組態以產生一樣品之一所量測結構之一結構模型(例如，幾何模型、材料模型或經組合幾何及材料模型)，產生包含來自結構模型之至少一個幾何參數之一SAXS回應模型，且藉由執行SAXS量測資料與SAXS回應模型之一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。使用分析引擎來比較所模擬SAXS信號與所量測資料，藉此允許判定樣本之幾何以及材料性質(諸如電子密度及元素識別以及組合物)。在圖1中所繪示之實施例中，計算系統130係組態為經組態以實施如本文中所描述之模型構建與分析功能性之一模型構建與分析引擎。
圖7係圖解說明由計算系統130實施之一例示性模型構建與分析引擎150之一圖式。如圖7中所繪示，模型構建與分析引擎150包含產生一樣品之一所量測結構之一結構模型152之一結構模型構建模組151。在某些實施例中，結構模型152亦包含樣品之材料性質。結構模型152係接收為至SAXS回應函數構建模組153之輸入。SAXS回應函數構建模組153至少部分地基於結構模型152產生一SAXS回應函數模型155。在某些實例中，SAXS回應函數模型155基於x射線形式因子。
其中F係形式因子，q係散射向量，且ρ(r)係球面座標中的樣品之電子密度。然後，x射線散射強度由以下方程式給出
SAXS回應函數模型155係接收為至擬合分析模型157之輸入。擬合分析模型157比較經模型化SAXS回應與對應所量測資料以判定樣品之幾何以及材料性質。
在某些實例中，藉由最小化一卡方值而達成經模型化資料至實驗資料之擬合。舉例而言，針對SAXS量測，可將一卡方值定義為
其中係「通道」j中之所量測SAXS信號126，其中指數j描述系統參數(諸如繞射級、能量、角度座標等)之一集合，(v1,...,vL)係針對結構(目標)參數之一集合v1,...,vL評估的「通道」j之經模型化SAXS信號Sj，其中此等參數描述幾何(CD、側壁角度、疊對等)及材料(電子密度等)。σSAXS,j係與第j通道相關聯之不確定因素。NSAXS係x射線度量中之通道之總數目。L係表徵度量目標之參數之數目。
方程式(10)假定與不同通道相關聯之不確定因素係不相關的。在其中與不同通道相關聯之不確定因素相關之實例中，可計算該等不確定因素之間的一協方差。在此等實例中，可將SAXS量測之一卡方值表達為
其中VSAXS係SAXS通道不確定因素之協方差矩陣，且T表示移項。
在某些實例中，擬合分析模型157藉由對SAXS量測資料126與SAXS回應模型155執行一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。在某些實例中，將最佳化。
SAXS度量可在計算卡方值時含有一個以上各別技術。舉例而言，可針對掠入射SAXS與透射SAXS之經組合使用以賦予每一技術之一權重係數計算。
如上文中所描述，藉由最小化卡方值而達成SAXS資料之擬合。然而，大體而言，可藉由其他函數達成SAXS資料之擬合。
SAXS度量資料之擬合對於提供對所關注幾何及/或材料參數之敏 感度之任一類型之SAXS技術係有利的。樣品參數可係判定性的(例如，CD、SWA等)或統計的(例如，側壁粗糙度之rms高度、粗糙度相關長度等)，只要使用描述與樣品之SAXS射束相互作用之恰當模型即可。
模型構建與分析引擎150藉由側饋分析、前饋分析及並行分析之任一組合而改良所量測參數之準確度。側饋分析係指採取關於同一樣品之不同區域之多個資料集且將自第一資料集判定之共同參數傳遞至第二資料集上以供分析。前饋分析係指採取關於不同樣品之資料集且使用一逐步複製準確參數前饋方法將共同參數傳遞轉發至後續分析。並行分析係指將一非線性擬合方法並行或同時應用於其中至少一個共同參數在擬合期間耦合之多個資料集。
多重工具與結構分析係指基於迴歸、一查找表(亦即，「庫」匹配)或多個資料集之另一擬合程序之一前饋、側饋或並行分析。至KLA-Tencor公司之於2009年1月13日發佈之美國專利第7,478,019號描述例示性方法及系統用於多重工具與結構分析，該專利之全文以引用方式併入本文中。
在另一態樣中，基於來自相同SAXS資料之一材料性質(例如，電子密度)之一圖譜而改良基於參數模型之反演之SAXS量測之精確度及準確度。比較參數反演之結果與圖譜，且使用結果之差來更新CD量測模型之參數化。
可出於若干個不同目的而使用材料性質(例如，折射率、電子密度等)之分佈。藉由非限制性實例之方式，圖譜可用於1)細化用於以模型為基礎之量測(諸如SAXS或其他以模型為基礎之度量解決方案)之實體模型之參數化，2)在以模型為基礎之度量中未由模型準確描述之入射，3)在一後續以模型為基礎之量測中使所標記值固定，4)標記以六自由度之目標對準中之誤差，5)判定邊緣放置誤差，6)判定半導 體層內之疊對誤差，7)判定由於多重圖案化引起之節距遊動，及8)估計一結構之幾何性質(諸如關鍵尺寸(CD)及側壁角度(SWA))之值。
應認識到，本發明通篇所描述之各種步驟可由一單個電腦系統130或(另一選擇係)一多電腦系統130執行。此外，系統100之不同子系統(諸如樣品定位系統140)可包含適合於執行本文中所描述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，前述說明不應解釋為對本發明之一限制而僅係一圖解說明。此外，一或多個計算系統130可經組態以執行本文中所描述之方法實施例中之任一者之任何其他步驟。
另外，電腦系統130可以此項技術中已知之任何方式通信地耦合至SAXS偵測器116及SAXS照射光學器件115。舉例而言，一或多個計算系統130可耦合至分別與SAXS偵測器116及SAXS照射光學器件115相關聯之計算系統。在另一實例中，SAXS偵測器116及SAXS照射光學器件115中之任一者可由耦合至電腦系統130之一單個電腦系統直接控制。
電腦系統130可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體自該系統之子系統(例如，SAXS偵測器116及SAXS照射光學器件115及類似物)接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，傳輸媒體可用作電腦系統130與系統100之其他子系統之間的一資料鏈路。
度量系統100之電腦系統130可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體自其他系統接收及/或獲取資料或資訊(例如，量測結果、模型化輸入、模型化結果等)。以此方式，傳輸媒體可用作電腦系統130與其他系統(例如，記憶體板上度量系統100、外部記憶體或外部系統)之間的一資料鏈路。舉例而言，計算系統130可經組態以經由一資料鏈路自一儲存媒體(亦即，記憶體132、180或190)接收量測資料(例如，信號126)。例如，使用SAXS偵測器116中之任一者之一光譜儀所獲得之光譜結果可儲存於一永久或半永久記憶體裝置 (例如，記憶體132、180或190)中。就此而言，量測結果可自板上記憶體或自一外部記憶體系統導入。此外，電腦系統130可經由一傳輸媒體將資料發送至其他系統。例如，由電腦系統130判定之樣品參數值170可儲存於一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體180)中。就此而言，量測結果可導出至另一系統。
計算系統130可包含(但不限於)一個入電腦系統、大型電腦系統、工作站、影像電腦、並行處理器或此項技術中已知之任何其他裝置。大體而言，術語「計算系統」可廣義地定義為涵蓋具有執行來自一記憶體媒體之指令之一或多個處理器之任何裝置。
實施諸如本文中所描述之彼等方法之方法之程式指令134可經由一傳輸媒體(諸如一導線、纜線或無線傳輸鏈路)傳輸。舉例而言，如圖1中所圖解說明，儲存於記憶體132中之程式指令經由匯流排133傳輸至處理器131。程式指令134儲存於一電腦可讀媒體(例如，記憶體132)中。例示性電腦可讀媒體包含唯讀記憶體、一隨機存取記憶體、一磁碟或光碟或者一磁帶。
在某些實施例中，將如本文中所描述之一散射術量測分析實施為一製作製程工具之部分。製作製程工具之實例包含(但不限於)微影曝光工具、膜沈積工具、植入工具及蝕刻工具。以此方式，使用一SAXS分析之結果來控制一製作製程。在一項實例中，將自一或多個目標收集之SAXS量測資料發送至一製作製程工具。如本文中所描述分析該SAXS量測資料且使用結果來調整製作製程工具之操作。
可使用如本文中所描述之散射術量測來判定各種半導體結構之特性。例示性結構包含(但不限於)FinFET、低尺寸結構(諸如奈米線或石墨烯)、小於10nm之結構、微影結構、穿基板通孔(TSV)、記憶體結構(諸如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM)及高縱橫比記憶體結構。例示性結構特性包含(但不限於)幾何參數(諸如線邊緣粗糙 度、線寬度粗糙度、孔大小、孔密度、側壁角度、輪廓、關鍵尺寸、節距)及材料參數(諸如電子密度、組合物、顆粒結構、形態、應力、應變及元素識別)。
圖8圖解說明適於藉由本發明之度量系統100之實施方案之一方法400。在一項態樣中，認識到，方法400之資料處理方塊可經由由計算系統130之一或多個處理器執行之一預程式化演算法執行。儘管在度量系統100、200及300之內容脈絡中呈現以下說明，但在本文中認識到，度量系統100、200及300之特定結構態樣不表示限制且應僅解釋為說明性的。
在方塊401中，以一x射線輻射束照射一量測目標。
在方塊402中，偵測各自與回應於入射x射線輻射束而自量測目標散射之大量輻射之一或多個繞射級相關聯之一或多個強度。
在方塊403中，基於繞射級之所偵測強度而判定量測目標之一材料性質之一圖譜。材料性質係量測目標之一複數折射率、一電子密度及一吸收率中之任一者。
如本文中所描述，術語「關鍵尺寸」包含一結構之任何關鍵尺寸(例如，底部關鍵尺寸、中間關鍵尺寸、頂部關鍵尺寸、側壁角度、光柵高度等)、任何兩個或兩個以上結構之間的一關鍵尺寸(例如，兩個結構之間的距離)及兩個或兩個以上結構之間的一位移(例如，疊對光柵結構之間的疊對位移等)。結構可包含三維結構、經圖案化結構、疊對結構等。
如本文中所描述，術語「關鍵尺寸應用」或「關鍵尺寸量測應用」包含任何關鍵尺寸量測。
如本文中所描述，術語「度量系統」包含經至少部分地採用以表徵任一態樣(包含關鍵尺寸應用及疊對度量應用)中之一樣品之任一系統。然而，此等技術術語並不限制如本文中所描述之術語「度量系 統」之範疇。另外，本文中所描述之度量系統可經組態以用於量測經圖案化晶圓及/或未圖案化晶圓。度量系統可經組態為一LED檢查工具，邊緣檢查工具、背面檢查工具、宏觀檢查工具或多模式檢查工具(涉及同時來自一或多個平台之資料)，以及受益於在量測下之成像或結構任何其他度量或檢查工具。
本文中描述可用於處理一樣品之一半導體處理系統(例如，一檢查系統或一微影系統)之各種實施例。術語「樣品」在本文中用於指一晶圓、一光罩或可藉由此項技術中已知之方式處理(例如，印刷或檢查缺陷)之任何其他樣本。
如本文中所使用，術語「晶圓」通常指由一半導體或非半導體材料形成之基板。實例包含(但不限於)單晶矽、砷化鎵及磷化銦。通常可在半導體製作設施中找到及/處理此類基板。在一些情形中，一晶圓可僅包含基板(即，裸晶圓)。另一選擇係，一晶圓可包含形成於一基板上之一或多個不同材料層。形成於一晶圓上之一或多個層可為「經圖案化」或「未圖案化」的。舉例而言，一晶圓可包含具有可重複圖案特徵之複數個晶粒。
一「光罩」可係在一光罩製作製程之任何階段處之一光罩或者可或可不釋放以供在一半導體製作設施中使用之一完成光罩。一光罩或一「遮罩」通常定義為具有在其上形成且組態成一圖案之實質上不透明區的一實質上透明基板。基板可包含(舉例而言)諸如非晶SiO2之一玻璃材料。一光罩可在一微影製程之一曝光步驟期間安置於一抗蝕劑覆蓋之晶圓上面，使得可將該光罩上之圖案轉印至該抗蝕劑。
形成於一晶圓上之一或多個層可係經圖案化或未圖案化的。舉例而言，一晶圓可包含各自具有可重複圖案特徵之複數個晶粒。此類材料層之形成及處理可最終產生完成裝置。可在一晶圓上形成諸多不同類型之裝置，且如本文中所使用之術語晶圓意欲涵蓋於其上製作此 項技術中已知之任何類型之裝置之一晶圓。
在一或多個例示性實施例中，所描述之功能可以硬體、軟體、韌體或其任一組合實施。若以軟體實施，則該等功能可作為一或多個指令或程式碼儲存於一電腦可讀媒體上或者經由一電腦可讀媒體傳輸。電腦可讀媒體包含電腦儲存媒體及通信媒體兩者，包含促進將一電腦程式自一個地方傳送至另一地方之任何媒體。一儲存媒體可係可由一個一般用途或特殊用途電腦存取之任何可用媒體。藉由實例而非限制方式，此類電腦可讀媒體可包括：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存裝置、磁碟儲存裝置或其他磁性儲存裝置或者可用於以指令或資料結構之形式攜載或儲存所要程式碼構件且可由一個一般用途或特殊用途電腦或者一個一般用途或特殊用途處理器存取的任何其他媒體。並且，可將任何連接恰當地稱為一電腦可讀媒體。舉例而言，若使用一同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數位用戶線(DSL)或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)自一網站、伺服器或其他遠端源傳輸軟體，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)皆包含於媒體之定義內。如本文中所使用，磁碟及碟片包含光碟(CD)、雷射碟片、XRF碟片、數位多功能碟片(DVD)、軟磁碟及藍光碟片，其中磁碟通常以磁性方式複製資料而碟片藉助雷射以光學方式複製資料。上述之組合亦應包含於電腦可讀媒體之範疇內。
雖然在上文中出於指導性目的描述了某些特定實施例，但本專利文件之教示內容具有一般適用性且不限於上文所描述之特定實施例。因此，可在不背離如申請專利範圍中所陳述之本發明之範疇之情況下實踐對所描述之實施例之各種特徵的各種修改、更改及組合。
101‧‧‧樣品
102‧‧‧檢查區域
110‧‧‧x射線照射源/x射線照射系統/x射線源/液態金屬噴流x射線源
111‧‧‧液態金屬容器
112‧‧‧液態金屬收集器/收集器
113‧‧‧電子束源
114‧‧‧電子光學器件
115‧‧‧x射線光學器件/照射光學器件/小角度x射線散射照射光學器件
116‧‧‧x射線偵測器/小角度x射線散射偵測器/偵測器
117‧‧‧x射線束/入射x射線束/小角度x射線散射照射束/入射小角度x射線散射照射束
118‧‧‧電子流
119‧‧‧液態金屬噴流
125‧‧‧x射線輻射/經散射x射線/經散射x射線輻射
126‧‧‧輸出信號/信號/量測資料/繞射級/量測信號/所量測入射小角度x射線散射信號/入射小角度x射線散射量測資料
130‧‧‧計算系統/電腦系統
131‧‧‧處理器
132‧‧‧記憶體
133‧‧‧匯流排
134‧‧‧程式指令
137‧‧‧命令信號
140‧‧‧樣品定位系統/晶圓定位系統
141‧‧‧邊緣夾持卡盤
142‧‧‧旋轉致動器
143‧‧‧周邊框架
144‧‧‧線性致動器
145‧‧‧運動控制器
146‧‧‧座標系統
200‧‧‧度量系統/度量工具/x射線度量系統

Claims (25)

  1. 一種方法，其包括：用一x射線輻射束照射一量測目標；偵測一或多個強度，其係各自與回應於該入射x射線輻射束而自該量測目標散射之大量輻射的一或多個繞射級相關聯；及基於該等繞射級之該等所偵測強度而判定該量測目標之一材料性質之一圖譜，其中該材料性質係該量測目標之一複數折射率、一電子密度及一吸收率中之任一者。
  2. 如請求項1之方法，其中該量測目標係安置於一平坦基板上之一結構，其中該結構在平行於該平坦基板之一平坦表面之至少一個方向上係空間週期性的。
  3. 如請求項1之方法，其中該照射該量測目標涉及：以相對於該量測目標之複數個入射角度，用該x射線輻射束照射該量測目標。
  4. 如請求項1之方法，其中該照射該量測目標涉及：以複數個不同波長用x射線輻射照射該量測目標。
  5. 如請求項1之方法，其中該判定該量測目標之該材料性質之該圖譜涉及：對該等繞射級之該等所偵測強度與一自由形式模型進行一擬合分析，該自由形式模型基於該量測目標之該材料性質之一假定圖譜而估計該等繞射級之該等強度之值。
  6. 如請求項5之方法，其中該擬合分析涉及：最小化該等繞射級之該等所偵測強度與該等繞射級之該等所估計強度之間之一差。
  7. 如請求項5之方法，其中該擬合分析涉及：最小化該量測目標之該材料性質之一泛函。
  8. 如請求項7之方法，其中該擬合分析涉及：根據該等繞射級之該等所偵測強度與該等繞射級之該等所估計強度之間之一差之一 值之一上界來最小化該量測目標之該材料性質之一泛函。
  9. 如請求項5之方法，其中該自由形式模型包含表示該所量測結構之複數個體積或面積元素，且其中該等體積或面積元素中之至少一者的形狀在該擬合分析的至少一個迭代期間被改變。
  10. 如請求項5之方法，進一步包括：基於對該等繞射級之該等所偵測強度與一經幾何參數化回應模型之一擬合分析來判定與該量測目標相關聯之至少一個樣品參數值；及基於該量測目標之該材料性質之該圖譜與該至少一個樣品參數值之間之一差而修改該量測目標之該經幾何參數化回應模型。
  11. 如請求項5之方法，進一步包括：依據該量測目標之該材料性質之該圖譜而直接判定一所關注參數之一值。
  12. 一種度量系統，其包括：一x射線照射源，其經組態以用一x射線輻射束照射一量測目標；一x射線偵測器，其經組態以偵測各自與回應於該入射x射線輻射束而自該量測目標散射之大量輻射的一或多個繞射級相關聯的一或多個強度；及一計算系統，其經組態以：基於該等繞射級之該等所偵測強度而判定該量測目標之一材料性質之一圖譜，其中該材料性質係該量測目標之一複數折射率、一電子密度及一吸收率中之任一者。
  13. 如請求項12之度量系統，其中該量測目標係安置於一平坦基板上之一結構，其中該結構在平行於該平坦基板之一平坦表面之 至少一個方向上係空間週期性的。
  14. 如請求項12之度量系統，其中該x射線照射源以相對於該量測目標之複數個入射角度，用該x射線輻射束照射該量測目標。
  15. 如請求項12之度量系統，其中該x射線照射源以複數個不同波長，用該x射線輻射束照射該量測目標。
  16. 如請求項12之度量系統，其中該計算系統基於該等繞射級之該等所偵測強度與一自由形式模型之一擬合分析而判定該量測目標之該材料性質之該圖譜，該自由形式模型基於該量測目標之該材料性質之一假定圖譜而估計該等繞射級之該等強度之值。
  17. 如請求項16之度量系統，其中該擬合分析至少部分地基於最小化該等繞射級之該等所偵測強度與該等繞射級之該等所估計強度之間之一差。
  18. 如請求項16之度量系統，其中該擬合分析至少部分地基於最小化該量測目標之該材料性質之一泛函。
  19. 如請求項18之度量系統，其中該擬合分析至少部分地基於根據該等繞射級之該等所偵測強度與該等繞射級之該等所估計強度之間之一差之一值之一上界來最小化該量測目標之該材料性質之一泛函。
  20. 如請求項16之度量系統，其中該自由形式模型包含表示該所量測結構之複數個體積或面積元素，且其中該等體積或面積元素中之至少一者的形狀在該擬合分析的至少一個迭代期間被改變。
  21. 如請求項16之度量系統，其中該計算系統進一步經組態以：基於該等繞射級之該等所偵測強度與一經幾何參數化回應模型之一擬合分析而判定與該量測目標相關聯之至少一個樣品參數值；及 基於該量測目標之該材料性質之該圖譜與該至少一個樣品參數值之間之一差而修改該量測目標之該經幾何參數化回應模型。
  22. 如請求項16之度量系統，其中該計算系統進一步經組態以：依據該量測目標之該材料性質之該圖譜而直接判定一所關注參數之一值。
  23. 一種非暫時性電腦可讀媒體，其包括：用於致使一電腦基於繞射級之所偵測強度而判定一量測目標之一材料性質之一圖譜之程式碼，其中該材料性質係該量測目標之一複數折射率、一電子密度及一吸收率中之任一者，其中該等所偵測強度係各自與回應於一入射x射線輻射束而自該量測目標散射之輻射的一或多個繞射級相關聯。
  24. 如請求項23之非暫時性電腦可讀媒體，進一步包括：用於致使該電腦基於該等繞射級之該等所偵測強度與一自由形式模型之一擬合分析而判定該量測目標之該材料性質之該圖譜的程式碼，該自由形式模型基於該量測目標之該材料性質之一假定圖譜而估計該等繞射級之該等強度的值。
  25. 如請求項24之非暫時性電腦可讀媒體，進一步包括：用於致使該電腦依據該量測目標之該材料性質之該圖譜而直接判定一所關注參數之一值的程式碼。
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